硅芯片達到物理極限

? ??如今的芯片利用電子在細小的金屬線上移動來傳輸數(shù)據(jù)，這種方法已經(jīng)使用了幾十年，也正是這種方法讓我們擁有了速度更快的手機和最強大的AI芯片，但現(xiàn)在我們遇到了一個大問題。隨著我們在芯片上塞入越來越多的晶體管，由銅制成的導線變得越來越細，導致電阻急劇上升、熱量不斷累積。不僅僅是晶體管達到了物理極限，它們之間的互連和布線也成為計算領域最大的瓶頸之一。

? ??物理學給了我們一個解決的線索，那就是利用光子而不是電子。光不會像銅那樣損失能量，它速度更快、溫度更低，非常適合在芯片和數(shù)據(jù)中心之間傳輸數(shù)據(jù)。而說到在納米尺度上控制光，石墨烯在這方面非常擅長。

石墨烯擅長控制光子

? ??石墨烯是目前最迷人的材料之一。它本質上就是一層碳原子以完美的蜂窩狀排列。這種結構不僅美觀，而且堅固耐用。碳原子緊密結合，使這種材料比鋼更堅固，同時又輕巧靈活。由于它是一種晶體結構，電子甚至光子可以非常快速地穿過石墨烯，幾乎沒有阻力。

? ??電子穿過石墨烯時的電遷移率高得驚人。石墨烯的遷移率為每秒20萬平方厘米，而硅的遷移率為500平方厘米。這意味著切換到石墨烯進行數(shù)據(jù)互連，數(shù)據(jù)傳輸速度比現(xiàn)在快100到1000倍。

常見的光調制器：馬赫-曾德爾干涉儀

? ??當我們想用光來傳輸數(shù)據(jù)或計算數(shù)據(jù)時，首先需要進行編碼，將數(shù)字信號編碼成光。為此，我們需要使用一種基本設備——光調制器，其中最常見的一種是馬赫-曾德爾干涉儀。第一束光從一端進入，然后被分成兩條不同的路徑，有點像一條光子路分成兩條車道。通常情況下，來自兩個分支的光會在末端重新結合，發(fā)生相長干涉，這意味著輸出光等于輸入光。

? ??如果我們將數(shù)字信號施加到其中一條路徑上，就會發(fā)生一些變化，該信號會改變該分支中光的相位，從而改變其在輸出端的干涉方式，這就是我們調制光的方式，我們實際上是將數(shù)字比特編碼成光的強度。通過這種方式，我們可以通過光纖傳輸數(shù)據(jù)，甚至可以在光子芯片上進行計算，這個過程是硅光子學的核心。

石墨烯是理想的光調制器材料

? ??但通過硅實現(xiàn)這些有其局限性，尤其是在更快的速度、更低的功耗和更小的占用空間方面，而這正是石墨烯的用武之地。硅在紅外波段的窄帶中工作效果最佳，而石墨烯可以與從可見光到紅外光，甚至到太赫茲波段的各種光發(fā)生良好的相互作用。更有趣的是，我們實際上可以通過施加電脈沖來控制石墨烯吸收的光量，這使得它成為下一代光調制器的理想候選材料。

可以實現(xiàn)乘法累加運算

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? ??將石墨烯用于光調制器的技術不僅有助于加快數(shù)據(jù)傳輸速度，還為更宏大的目標打開了大門，那就是利用光本身進行計算。在馬赫-曾德爾干涉儀中，將之前的數(shù)字脈沖改為施加模擬電壓，就會發(fā)生一些新的變化。在這種情況下，相移量會根據(jù)該電壓平滑變化，因此輸出端的光強度與兩個值（輸入光和施加電壓）的乘積成正比。

? ? ?換句話說，該設備能執(zhí)行模擬乘法，這意味著如果我們將該設備擴展到大量設備，我們就可以以模擬方式執(zhí)行矩陣乘法累加運算。這種運算在人工智能領域無處不在，每秒執(zhí)行數(shù)十億次。 地球上每個人工智能數(shù)據(jù)中心每秒都在發(fā)生。

可以實現(xiàn)大規(guī)模并行計算，并降低能量損失

? ??每個光調制器編碼不同的權重，一束光攜帶輸入值，我們在設備上將輸入光與模擬值相乘，然后在輸出端光電探測器將光轉換為電流，最后以電子方式對結果進行求和。我們可以在數(shù)千個并行通道上執(zhí)行此操作，就能以模擬方式實現(xiàn)了矩陣乘法累加運算。

? ??這種方法的優(yōu)勢在于，光可以同時攜帶多個不同波長的數(shù)據(jù)流，這意味著我們不僅能進行快速計算，還可以大規(guī)模并行計算，同時將能量損失降至最低，并且無需停止數(shù)據(jù)運行。

Black Semiconductor同時開發(fā)石墨烯芯片和晶圓廠

? ??與任何突破性的新材料一樣，石墨烯的制造以及從實驗室到量產(chǎn)都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。除非石墨烯的生產(chǎn)規(guī)?；覂r格合理，否則它很難被廣泛應用。為了將其應用于現(xiàn)實世界的芯片，我們需要能夠在晶圓上生長或轉移高質量的石墨烯，并實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

? ??長期以來，這一直是不可能的。但現(xiàn)在情況終于開始改變，我們看到世界各地都在建造新的石墨烯晶圓廠。以Black Semiconductor為例，他們不僅在設計基于石墨烯的光子芯片，還在構建實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)所需的完整基礎設施。他們的新晶圓廠FabONE正在德國建設中，計劃于2026年開始生產(chǎn)，并于2030年實現(xiàn)全面量產(chǎn)。

Destination 2D開發(fā)基于石墨烯的互聯(lián)技術

? ??加州大學圣巴巴拉分校的衍生公司Destination 2D，他們不僅在開發(fā)基于石墨烯的互連技術，還在設計工具和技術，并研究將石墨烯從實驗室轉移到晶圓廠的整個流程。他們并不是唯一一家這樣做的公司，還有一家名為NanoXplore的公司開發(fā)了一種特殊的干法生長工藝，使他們能夠生長出不含雜質的高質量石墨烯，這對于電子設備來說非常關鍵。

臺積電在測試混合石墨烯金屬結構

? ??幾乎無缺陷的晶圓級石墨烯在幾年前是不可能的，但現(xiàn)在就連巨頭也開始關注，臺積電、英特爾、三星已經(jīng)在探索如何將石墨烯集成到下一代互聯(lián)中。

? ? 例如，臺積電正在測試一種混合石墨烯金屬結構，這是他們無需重新改造整個晶圓廠就能開始取代銅的戰(zhàn)略方法。我們必須面對現(xiàn)實，我們不可能在一夜之間就完全取代銅，大多數(shù)新材料不是通過瞬間顛覆，而是通過更具戰(zhàn)略性的推廣。

量產(chǎn)仍需克服很多技術挑戰(zhàn)

? ??在實驗室中制造石墨烯是一回事，大規(guī)模生產(chǎn)并保持其完美無瑕又是完全不同的另一回事。題在于，當石墨烯大規(guī)模生產(chǎn)時，缺陷開始蔓延。微小的晶粒邊界和雜質在半導體中就是災難性的，它們會徹底摧毀性能。

? ??石墨烯必須與現(xiàn)有的以硅為基礎的晶圓廠兼容。切換到石墨烯意味著至少要對晶圓廠進行部分改造，這既昂貴又緩慢，風險也很大。此外，還有一個轉移問題，因為石墨烯通常是在銅或碳化硅等材料上生長的，但將其轉移到其他材料上會存在一些問題。

還要考慮成本效益

? ??即使我們設法克服了所有這些技術挑戰(zhàn)，我們也必須思考這在經(jīng)濟上是否可行。轉換新材料不僅要使其發(fā)揮作用，還要考慮成本效益。而今天的石墨烯顯然還沒有達到這個水平。

? ? 為了使石墨烯走出實驗室，我們需要在三個方面下功夫：可擴展性、制造和成本。但石墨烯的進展已經(jīng)開始加快。

來源：Achillesscj